Phát triển trạm sạc không dây động cho xe điện
Thay vì tốn thời gian dừng tại các trạm sạc, hệ thống sạc không dây động do ông Ngô Đăng Lưu (Công ty TNHH MTV Năng lượng mặt trời Anh Minh Global) phát triển được kỳ vọng sẽ giúp các phương tiện chạy điện có thể vừa di chuyển trên đường vừa sạc, tiết kiệm thời gian và mở rộng phạm vi hoạt động.
Hình ảnh mô phỏng hệ thống sạc không dây động cho xe điện. Nguồn: NVCC
“Có lần đi từ Sài Gòn đến Cần Thơ bằng xe ô tô điện, dù điều hòa trên xe rất mát nhưng chúng tôi vẫn toát mồ hôi vì lo lắng, không biết khi nào xe sập nguồn”, ông Ngô Đăng Lưu, Giám đốc Công ty TNHH MTV Năng lượng mặt trời Anh Minh Global kể lại trải nghiệm của mình. Đây không phải là câu chuyện xa lạ với những người đi xe điện. Cũng giống như xu hướng trên thế giới, những chiếc xe điện tiết kiệm nhiên liệu, ít phát thải CO2 ngày càng phổ biến ở Việt Nam. Theo lộ trình chuyển đổi năng lượng xanh đến năm 2050, Việt Nam đặt mục tiêu 100% phương tiện giao thông cơ giới đường bộ, xe máy thi công tham giao thông chuyển đổi sang sử dụng điện, năng lượng xanh. Người sử dụng xe điện ngày càng nhiều song hầu hết, họ chỉ di chuyển trong nội thành chứ ít khi đi xa qua những địa phương khác, bởi lượng điện lưu trữ có hạn.
Phạm vi di chuyển là một trong những nhược điểm lớn nhất của xe điện. Sau mỗi lần sạc, xe điện có thể di chuyển một quãng đường với độ dài nhất định (khoảng vài trăm km), tùy theo dung lượng pin lưu trữ. Thời lượng sử dụng cũng phụ thuộc vào một số yếu tố khác như địa hình, tải trọng, tuổi thọ pin… Người dùng xe điện không khỏi lo lắng về việc tìm trạm sạc trong trường hợp hết điện bất ngờ, bởi hệ thống trạm sạc ở Việt Nam, cũng như nhiều nước trên thế giới vẫn còn hạn chế, hầu hết trạm sạc thường tập trung ở các đô thị lớn. Vì vậy, làm thế nào để hoàn thiện hạ tầng trạm sạc là một trong những bài toán chính cần giải quyết trong lộ trình chuyển đổi sang sử dụng xe điện.
Những người trong lĩnh vực xe điện đang tiếp cận bài toán này theo nhiều cách khác nhau. Song với kinh nghiệm nhiều năm trong lĩnh vực năng lượng, ông Ngô Đăng Lưu nhận thấy ứng dụng công nghệ sạc không dây động có thể là một hướng đi tiềm năng. “Với hệ thống này, xe điện có thể vừa đi vừa sạc, mở rộng phạm vi di chuyển của xe, đồng thời đảm bảo độ an toàn và hiệu suất sạc”, ông giới thiệu trong hội thảo do Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN (Sở KH&CN TP.HCM) tổ chức vào tháng 8/2023.
Vừa đi vừa sạc điện
Sạc không dây không phải là công nghệ mới. Từ lâu, nhiều hãng sản xuất đã đầu tư và kỳ vọng sạc không dây sẽ trở thành phương pháp sạc mới, tiện lợi hơn cho các thiết bị điện. Với khả năng truyền điện qua không khí ở khoảng cách vài mm đến vài trăm mm, sạc không dây có thể khắc phục sự bất tiện cũng như nguy cơ rò rỉ điện trong môi trường ẩm ướt của sạc dây thông thường. Trong lĩnh vực xe điện, hệ thống sạc không dây được chia thành hai loại: sạc không dây tĩnh và sạc không dây động. Một số nhà sản xuất xe điện đã cung cấp bộ sạc không dây tĩnh, xe điện chỉ cần đỗ đúng vị trí của bộ truyền điện. Nhược điểm lớn nhất của các bộ sạc không dây tĩnh là thời gian sạc dài, khoảng cách di chuyển sau mỗi lần sạc ngắn, dung lượng và trọng lượng pin lớn.
PGS Ngô Đăng Lưu giới thiệu mô hình thiết kế hệ thống sạc không dây động. Ảnh: vnexpress
Người đi xe điện có thể tránh được những hạn chế này khi áp dụng phương pháp sạc còn lại. Trong hệ thống sạc không dây động, xe điện có thể vừa đi vừa sạc. Về bản chất, hệ thống sạc không dây động gồm nhiều bộ truyền (giống sạc không dây tĩnh) được xếp dưới lòng đường, có thể tạo thành làn đường sạc động cho nhiều phương tiện, thay vì dùng các bộ sạc tĩnh riêng cho mỗi xe. Ngoài việc mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện, hệ thống còn giúp giảm đáng kể dung lượng và kích thước pin. Hiện nay, các hệ thống sạc không dây động đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm, công suất truyền có thể lên tới 80kW, khoảng cách truyền lên tới 500mm.
Hệ thống sạc không dây động do ông Ngô Đăng Lưu và các cộng sự chế tạo cũng không nằm ngoài các nguyên tắc chung. Hệ thống gồm hai phần: phần sơ cấp dưới lòng đường và phần thứ cấp đặt dưới gầm xe điện. Ở phần thứ nhất, các cuộn dây sơ cấp được lắp cố định dưới lòng đường tạo thành làn đường sạc động cho xe. Người ta sẽ dùng bộ chỉnh lưu để chuyển nguồn điện lưới xoay chiều thành nguồn một chiều. Sau đó, nguồn một chiều được biến đổi thành nguồn xoay chiều tần số cao nhờ bộ nghịch lưu tần số cao để đưa tới các cuộn dây sơ cấp. Ở phần thứ hai, một cuộn dây thứ cấp được gắn trên xe có thể cảm ứng điện áp xoay chiều tần số cao. Nguồn xoay chiều tần số cao này được chỉnh lưu và đưa đến bộ điều khiển phối hợp trở kháng, bộ điều khiển quản lý năng lượng để sạc pin.
Kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu cho thấy, hiệu suất của hệ thống đạt gần 90%. Đây là một trong những tiêu chí quan trọng nhất trong hệ thống sạc không dây động, được nhiều người quan tâm.
Để thiết kế một hệ thống sạc không dây động hiệu quả, việc nắm vững các nguyên tắc chung mới chỉ là bước đầu tiên. Khi bắt tay vào chế tạo, hàng loạt vấn đề phát sinh như tình trạng đập mạch công suất tải do xe điện vừa đi vừa sạc; hoặc các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp trong hệ thống tách rời nhau, truyền qua không khí khiến hệ số kết nối điện từ nhỏ, điện cảm rò lớn, công suất phản kháng cao và hiệu suất thấp. Nhóm nghiên cứu của ông Ngô Đăng Lưu phải tìm cách khắc phục bằng cách tối ưu thiết kế cuộn dây, cũng như thiết kế mạch bù cho cả hai phía sơ cấp và thứ cấp.
Cụ thể, ở phía sơ cấp, mạch bù được thiết kế có tính đến sự kết nối điện từ giữa các cuộn dây truyền với nhau nhằm giảm công suất phản kháng, đạt điều kiện chuyển mạch mềm, tăng hiệu suất. Ở phía thứ cấp, mạch bù được thiết kế nhằm tối đa hiệu suất truyền. Các thiết kế đề xuất được kiểm chứng trên mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm. Nhóm nghiên cứu cũng khảo sát thêm đặc tính của hệ số kết nối khi bộ nhận ở vị trí lệch bên, thông số mạch bù nhỏ hơn (là cơ sở thiết kế các hệ thống công suất lớn) và hiệu suất truyền lớn. Sự chuẩn bị kĩ càng đã giúp nhóm nghiên cứu thu được kết quả khả quan: theo mô phỏng trong phòng thí nghiệm, hệ thống có công suất sạc 80 kW ở khoảng cách truyền 500 mm.
Hình ảnh mô phỏng trạm sạc không dây động trong phòng thí nghiệm. Ảnh: NVCC
Dự đoán hiệu suất bằng AI
Dù mới triển khai ở quy mô phòng thí nghiệm, hệ thống sạc không dây động của ông Ngô Đăng Lưu được nhiều người đánh giá có tiềm năng ứng dụng cao. Bên cạnh đó, không ít người nghi ngờ về hiệu suất của hệ thống này. “Đây là một trong những tiêu chí quan trọng nhất trong hệ thống sạc không dây động và nhận được nhiều sự quan tâm của rất nhiều người”, ông cho biết. Hiệu suất của hệ thống bằng tích hiệu suất của từng phần: chỉnh lưu phía truyền, bộ nghịch lưu tần số cao, cuộn dây và mạch bù, các bộ biến đổi công suất phía nhận. Một số yếu tố trong quá trình vận hành có thể làm giảm hiệu suất, chẳng hạn như xe đi lệch trên làn đường sạc. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu suất của từng phần, bao gồm điều khiển bám cộng hưởng để nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu tần số cao và điều khiển bám tải tối ưu để nâng cao hiệu suất truyền khi xe điện di chuyển lệch hướng. “Kết quả thực nghiệm của chúng tôi cho thấy, hiệu suất của hệ thống đạt gần 90%”, ông nói.
Để giúp người dùng nắm bắt được hiệu suất sạc trong quá trình sử dụng, nhóm nghiên cứu đã kết hợp thêm công nghệ AI. “Chúng tôi đã đề xuất giải pháp để dự đoán góc dịch pha của bộ nghịch lưu phía truyền (góc α trong công thức tính điện áp thứ cấp). Chỉ cần điều chỉnh giá trị của góc dịch pha thì có thể điều khiển được giá trị hiệu dụng của điện áp ra của bộ nghịch lưu, từ đó điều chỉnh công suất phía thứ cấp”, ông Ngô Đăng Lưu cho biết. Nhờ đó, người dùng có thể giám sát trạng thái pin, các thông số này cũng được chuyển đến hệ thống điều khiển xe để thực hiện các điều chỉnh cần thiết tùy theo tình trạng pin.
Những kết quả bước đầu giúp nhóm nghiên cứu có thêm tự tin trên con đường nghiên cứu sạc không dây động cho xe điện, dù còn rất nhiều việc phải làm. “Công nghệ này vẫn còn khá mới, việc xây dựng cơ sở hạ tầng cho các phần sơ cấp, thứ cấp là một hành trình rất dài. Ngoài ra, chúng ta cũng phải đánh giá tuổi thọ của hệ thống sạc, và cần kết hợp với các chuyên gia để đánh giá hiệu quả kinh tế mà nó mang lại”, ông nói.
https://khoahocphattrien.vn/
